我國加快推進智能化煤礦建設的路徑分析

崔祖霞

(自然資源部 中央地質勘查基金管理中心, 北京 100830)

煤作為一種燃料,早在宋朝就在我國被大量使用。18世紀60年代第一次工業革命自英國開始,人類的能源結構發生了根本的改變,即由木炭轉變成煤炭。時至今日,煤炭仍是人類重要的能源之一。

1949年解放后,我國煤炭產量只有0.43億t,占世界總產量的2.37%. 經過六十多年的發展,我國已成為世界上第一產煤大國,也是世界煤炭消費量最大的國家,年均煤炭產量與消費量均占世界的40%以上。煤炭一直是我國的主要能源和重要原料,在我國能源生產和消費中的比例高達60%～70%[1]. 隨著基礎設施建設、城市化水平不斷提升,國內煤炭的需求旺盛,自2010年開始,我國已從煤炭凈出口國轉變為凈進口國。近幾年,煤礦人工智能、大數據、云計算等與現代煤炭開發技術的深度融合成為新潮流,煤礦智能化很大程度上決定著煤炭開采利用效率和安全作業水平。與西方發達國家相比,我國的煤礦智能化建設仍處于初級階段,一些瓶頸問題亟待破解。

1 我國智能化煤礦建設成效初顯

根據中國煤炭工業協會2023年3月28日發布的《2022煤炭行業發展年度報告》顯示,煤炭行業發展新動能新優勢持續增強。2022年,全國煤礦智能化采掘工作面從494個增加到1 019個,全國智能化煤礦由242處增加到572處,很多省份相繼出臺相關保障措施支持煤礦智能化建設[2]. 從建井到采煤全流程的智能化建設,有效促進煤炭工業減員增效。重體力勞動工種大量減少,以山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦18106智能化綜采工作面為例,未投入智能化設備時需要12人完成的工作量,現在只需要7人即可完成。斜溝礦18106智能化綜采工作面采用久益成套智能化綜采控制系統,于2022年3月通過山西省能源局驗收,成為山西省第一個被評定為高級的智能化綜采工作面[2]. 自動割煤、記憶割煤等技術讓采煤工人的勞動強度大幅下降。另一方面,采用智能化工作面后,采煤效率也得到了大幅提升。十年內,全國煤礦數量由1.3萬處減少到4 400處以內,年產千萬噸級的生產煤礦由33處發展到79處,產能由4.5億t/年提高到12.8億t/年[3].

智能化建設大幅增加了煤礦建設和生產環節的安全系數。以往我國中西部地區的煤礦井筒建設主要以鉆眼爆破、機械施工為主,下井人員多、作業環境差、安全事故時有發生。各地實施智能化建設后,重特大事故發生率明顯下降。目前,全國智能化煤礦杜絕了較大以上事故,百萬噸死亡率為0.024,低于全國平均數的50%. 2021年以來,智能化煤礦累計釋放先進產能近6億t,為保障國家能源安全供應作出了重要貢獻[2].

2019年,原國家煤礦安全監察局制定公布了《煤礦機器人重點研發目錄》,列出了需要重點研發應用掘進、采煤、運輸、安控和救援5類38種煤礦機器人,目前各類技術應用已有一定程度進展[4].

2 推進煤礦智能化建設面臨諸多限制

2.1 技術發展緩慢,缺乏統一標準及規范

1) 煤礦智能化系統復雜,各項系統匹配度不高。由于煤礦智能化系統多是新裝備、新產品、新技術,不同的設備采用不同的操作系統,煤礦井下同步運行著通信、傳感、控制等大小上百個子系統,這些系統需要協同運行,如果不能很好地協調配合,存在綜合可靠性保障難度大的問題[5-6]. 現階段,各系統間數據聯動與共享仍是一個難點。

2) 我國自主研發的芯片、軟件、操作系統等在采集信息的精度、準度、能耗、處理能力等方面遠不如國外同級產品。在實際工作中,我國煤礦設備使用的芯片、操作系統等大多直接采購自國外,面對今美西方國家惡意圍堵,貿易壁壘日益增高的情況,核心技術“卡脖子”問題更加凸顯。

3) 物聯網技術與大數據、云計算等數字技術融合能力有待提升。我國現在的井工煤礦煤炭產量已占總產量的85%,最大開采深度已達1 500 m,因此在煤礦井下進行網絡覆蓋難度較大。同時,井下還存在強干擾、空間限制、復雜巷道網絡輸送延遲等問題。雖然新一代5G技術在延時性、連接性上都比此前技術有了質的飛越,理論上可以解決上述問題,但由于5G網絡廠商搭建的系統構架不一致,致使5G應用場景還未達到預期水平。

4) 煤礦機器人應用技術有待突破。當前,機器人技術已在生產生活方面得到廣泛應用,但我國井下機器人運用技術尚不成熟。現有井下機器人存在品種少、靈活度低、信息感知力差、定位不準確等問題,難以適應煤炭深度挖掘工作[7-8].

2.2 專業人才儲備不足,從業人員技術水平偏低

行業發展靠人才,人才建設靠培養。我國現有煤炭從業人員整體技術水平偏低,人才培養體系尚不健全,缺少專業化運維團隊。

1) 井下一線礦工年齡普遍偏大,專業知識匱乏,許多礦工思想認識依舊停留在自己是干重體力勞動的人,不需要接受新鮮知識技能,對學習新知識、新技能存在抵觸心理,認為科學技術是留給工程師的任務,自己只需要服從指揮就能勝任,大部分礦工難以通過基本的智能化上崗培訓考試,短時間內要求絕大多數礦工掌握科技含量較高的儀器設備不切實際。

2) 行業高校等培養單位部分專業招生困難。鑒于近些年煤炭市場不景氣狀況,部分采礦專業在招生時出現了空額現象,一些考生認為采礦類專業會存在畢業即失業的問題,刻意避開采礦工程。

3) 部分高校為培養復合型人才,將采礦工程專業升級為智能采礦專業,涉及人工智能、信息通信、軟件控制、機器人操控等多個學科,但缺乏相應的實驗室和配套教程,加之部分高校的師資力量薄弱,導致智能化人才的培養進度跟不上現有煤炭開采智能化的發展程度。

2.3 投入產出不成正比,企業缺乏積極性

1) 企業對智能化煤礦的認識水平參差不齊。中小企業受資金等方面的影響,普遍對智能化煤礦建設的積極性不高,而國有大型企業,雖有投資意向,但目前煤礦智能化建設大都以5G設備為主,投入較大,即時產出效益并不理想。有些系統全套買下來需要上億元的投資,但是傳感器等零部件消耗很快,需要不停的持續投入,很多煤礦已經是滿負荷生產了,持續增產空間不大。

2) 大部分企業未能充分利用開采挖掘過程中產生的信息數據,忽略了數據資源在未來生產中能夠帶來的長期利益。

3 加快實施智能化煤礦建設的對策建議

3.1 統一技術標準,打破技術壁壘

煤礦智能化涉及多領域、多部門,包括地質、運輸、人工智能、物聯網、大數據、云計算、機器人制造等,深入推進煤礦智能化建設需要多部門協同發力。可由行業協會牽頭出臺統一的智能化裝備技術標準,減少各廠商技術壁壘,統一系統接口及性能指標要求,形成模塊化、系統化、標準化的智能化系統模式,保證智能化礦山設備系統的兼容性及可操作性。同時,加大科研創新力度,加強理論基礎性研究,加快關鍵技術和設備的國產化應用替代工程,占領科技競爭的制高點,實現關鍵核心技術自主可控。此外,借鑒其他行業成熟的智能科技和理論經驗,結合煤炭自身特點加以運用,提高智能化建設的效率。

3.2 推動校企聯動,加強人才培養

1) 深化校企合作,通過委托培養等方式,加強專業技術人才培養,改變傳統管理理念,確保智能化煤礦的各類新技術、新設備、新工藝“物盡其用”,做到“產學研用”一體化。

2) 加大一線礦工技術培養,完善基礎培訓,加強理論和實踐技能培養,修訂、完善、更新一線礦工的操作教材,規范崗位工作要求。此外,通過用工和薪酬制度改變崗位工資,實行不同技術,不同薪酬,開展崗位競爭,鼓勵一線礦工向高一級崗位競爭,實現“培訓、考核、實操、待遇”一體化的激勵機制。

3.3 加大扶持引導,提升企業積極性

煤礦智能化建設是一個系統性工程,需要安全管理、技術裝備、操作系統、人員素質等各方面持續提升,投入大量人力物力。

1) 加大財政資金的投入力度,尤其對煤礦設備更新、重大科技攻關、裝備智能化改造等提供技術及資金支持。

2) 加大稅收優惠扶持力度,適當擴大增值稅進項稅的抵扣范圍,減免地方政府資源性收費,對關鍵零部件等原材料進行免稅。

3) 加大金融機構參與力度,提供專項貸款,提高智能化煤礦企業的信用額度,降低相應貸款利率,鼓勵煤礦企業進行智能化改造。

4 結 語

智能化煤礦建設是未來煤炭行業發展的必由之路,也是煤炭生產方式改革的主攻方向。智能化煤礦建設的關鍵是技術創新、人才培養、資金規模性投入,借助煤礦智能化建設將煤炭行業從原始的勞動密集型轉變為知識密集型的高科技行業,進一步實現解放勞動力、增強生產力、提升競爭力,完成開采金山銀山的同時為子孫后代留下綠水青山的愿景。